Fabrikasjon av Nanopillar-baserte Split Ring resonatorer for Displacement Nåværende mediert Resonans i terahertz Metamaterials
Summary
En protokoll for design og fabrikasjon av en roman nanopillar basert split ring resonator (SRR) er presentert.
Abstract
Terahertz (THz) split ring resonator (SRR) metamaterials (MMS) har blitt studert for gass, kjemisk og biomolekylære sensing programmer fordi SRR ikke påvirkes av miljømessige egenskaper som temperatur og trykk rundt resonatoren. Elektromagnetisk stråling i THz frekvenser er biokompatible, som er en kritisk tilstand, spesielt for anvendelse av biomolekylære føle. Imidlertid kvalitetsfaktoren (Q-faktor), og frekvensresponsen tradisjonelle tynnfilmbaserte splittring resonator (SRR) MMS er meget lav, noe som begrenser deres følsomhet og selektivitet som sensorer. I dette arbeidet, nye nanopillar basert SRR MMS, utnytte forskyvning gjeldende, er utformet for å forbedre Q-faktoren opp til 450, som er rundt 45 ganger høyere enn for tradisjonelle tynnfilmbaserte MMS. I tillegg til den forbedrede Q-faktor, er nanopillar baserte MMS indusere en større frekvensforskyvninger (17 ganger i forhold til skift oppnådd ved tradisjonal tynnfilmbaserte MMS). På grunn av betydelig forbedrede Q-faktorer og frekvens skift samt eiendom biokompatible stråling, THz nanopillar baserte SRR er ideelle MMS for utvikling av biomolekylære sensorer med høy følsomhet og selektivitet uten å indusere skader eller forvrengning på biomaterialer. En roman fabrikasjon prosessen har vist seg å bygge nanopillar baserte SRRs for forskyvning dagens medierte THz MMS. En to-trinns gull (Au) galvanisering prosessen og en atom lag deponering (ALD) prosessen brukes til å lage sub-10 nm skala gap mellom Au nanopillars. Siden ALD prosessen er et konformt belegg prosess, en ensartet aluminiumoksyd (Al 2 O 3) lag med nanometer-skala tykkelse kan oppnås. Ved sekvensielt galvanisering annen Au tynn film for å fylle mellomrom mellom Al 2 O 3 og Au, et tettpakket Au-Al 2 O 3 au struktur med nano-skala Al 2 O 3 hull kan værefabrikkert. Størrelsen av nano hullene kan være godt definert ved nøyaktig å kontrollere avsetnings sykluser av ALD prosessen, som har en nøyaktighet på 0,1 nm.
Introduction
Terahertz (THz) metamaterials (MMS) er utviklet for biomedisinske sensorer og frekvens-scanning enheter 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11. For å forbedre følsomheten og frekvens selektiviteten til THz MM sensorene, har en nanopillar basert splittring resonator (SRR) er konstruert ved hjelp av fortrengning strøm som genereres inne gull (Au) nanopillar matriser for å eksitere THz resonanser med ultra-høy kvalitetsfaktorer ( Q-faktorer) (~ 450) (figur 1) 12. Selv om nanopillar baserte SRRs viser høye Q-faktorer og lovende sensing evner, fabrikasjon av slike nanostructures med høye sideforhold (mer enn 40) og nano-skala hullene (sub-10 nm) over et stort område forblir utfordrende 13.
Den mest brukte teknikken til å dikte nano-skala strukturer er elektronstrålelitografi (EBL) 14, 15, 16, 17. Imidlertid er oppløsningen av EBL fremdeles begrenset på grunn av strålen sted størrelsen, elektron spredning, egenskapene til å motstå, og den utviklingsprosessen 18, 19. I tillegg er det ikke praktisk å fremstille nanostrukturer ved hjelp av EBL over et stort område på grunn av en langsom prosess tid og store prosesskostnader 20. En annen strategi for å oppnå nanostrukturer er å bruke en selvbygging teknikk 21, 22. Ved selv-montering metall nanocubes (NCS) i en løsning og utilizing elektrostatisk interaksjon og foreningen av polymer ligander mellom norsk sokkel kan en godt organisert endimensjonal NC array med nano-skala hull oppnås 23. Nano-gap størrelse avhenger av polymer ligander mellom norsk og kan kontrolleres ved å bruke forskjellige polymermaterialer med forskjellig molekylvekt 24, 25, 26. Self-montering er en kraftfull teknikk for å oppnå skalerbare og kostnadseffektive nanostrukturer 23. Imidlertid er fremstillingsprosessen mer komplisert sammenlignet med konvensjonelle mikro- og nanofabrikasjonsprosesser, og kontroll av nano-spaltestørrelser er ikke nøyaktige nok for elektroniske enheten applikasjoner. For å kunne dikte nanopillar baserte SRRs, bør en ny fremstillingsmetode være oppfunnet for å oppnå følgende mål: i) fabrikasjon prosessen er enkel å bruke og er kompatibel med konvensjonenal mikro- og nanofabrikasjonsprosesser; ii) fabrikasjon over et stort område er aktuelt, iii) nano-gap størrelser kan enkelt og presist kontrollert med en 0,1 nm oppløsning og kan skaleres ned til 10 nm eller mindre.
En ny fremstillingsmetode demonstreres ved hjelp av en kombinasjon av et galvanisk prosess og et atomsjikt nedfall (ALD) prosess for å fabrikkere nanopillar baserte SRRs. Siden galvanisering er en selv fylle prosess med lave kostnader, er det lett å dikte strukturer over et stort område. ALD er en kjemisk dampavsetning (CVD) prosess som kan kontrolleres nøyaktig ved omsetning syklusen under prosessen. Oppløsningen av ALD tynn film kan være 0,1 nm, og den tynne film er jevnt belagt med en høy kvalitet, som er egnet til å skape nano-skala hull 27, 28. Nanopillar basert SRR matrise med 10 nm-hull eller mindre kan være vellykket fabrikkert over et område på 6 mm × 6 mm. begge erimulated og målte THz overføring spektra viser resonans atferd med ultra-høy Q-faktorer og store frekvens skift, noe som beviser gjennomførbarheten av de nanopillar baserte SRRs mediert av forskyvning strøm. Den detaljerte fremstillingsprosessen er beskrevet nedenfor i protokoll delen, og video protokollen kan hjelpe til å forstå utøvere fremstillingsprosessen og unngå vanlige feil i forbindelse med fabrikasjon av nanopillar baserte SRRs.
Protocol
Representative Results
Discussion
Denne fremstillingsteknikk har betydelige fordeler for oppretting av nano-skala strukturer i forhold til eksisterende metoder slik som E-stråle-litografi og selvbygging. For det første kan nano-skala strukturer bli realisert over et stort område (en hel skive) ved hjelp av en fotomaske som har nanopillar matriser, som ikke er praktisk med en E-stråle-litografi prosess. For det andre bruker fremstillingsprosessen en tradisjonell wafer skala mikrofremstillingsprosessen, noe som er mye raskere, enklere og billigere sam…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette materialet er basert på arbeid støttet av en oppstartsfond ved University of Minnesota, Twin Cities. Deler av dette arbeidet ble utført i Karakterisering Facility, University of Minnesota, et medlem av NSF-finansierte Materials Research lokale Network (www.mrfn.org) via MRSEC programmet. En del av dette arbeidet ble også utført i Minnesota Nano Center som mottar delvis støtte fra NSF gjennom NNCI programmet.
Materials
| Silicon Wafer | Siltronic AG | N/A | 100mm diameter, N-type, one-side polish, resitivity: 560-840 Ω•cm |
| Chromium | Kurt J. Lesker Company | EVMCR35J | 99.95% pure |
| Copper | Kurt J. Lesker Company | EVMCU40QXQJ | 99.99% pure |
| E-Beam Evaporator System | Rocky Mountain Vacuum Tech. | N/A | RME-2000 |
| S1813 Positive Photoresist | Microposit | 10018348 | N/A |
| Spinner | Best Tools | S0114031123 | SMART COATER 100 |
| Mask Aligner | Midas | MDA-400LJ | N/A |
| Digital Hot Plate | Thermo Scientific | HP131725 | Super-Nuvoa series, maximum temperature: 370 degree C |
| MF319 Developer | Microposit | 10018042 | N/A |
| Acetone | Fisher Chemical | A18P-4 | N/A |
| Isopropyl Alcohol | Fisher Chemical | A416-4 | N/A |
| Gold 25 ES RTU | Technic Inc. | 391427 | N/A |
| Source Meter | Keithley | N/A | 2612 System SourceMeter |
| Microscope | Omax | NJF-120A | N/A |
| Profilometer | Tencor Instruments | N/A | Alpha-Step 200 |
| APS Copper Etchant 100 | Transfene Company, Inc. | N/A | N/A |
| CE-5 M Chromium Mask Etchant | Transfene Company, Inc. | N/A | N/A |
| Atomic Layer Deposition System | Cambridge Nano Tech inc. | N/A | Savannah series |
| Ion Mill Etching System | Intlvac Thin Film | N/A | Nanoquest series |
| Ultrasonic Cleaner | Crest Ultrasonics | N/A | Powersonic series |
| Hydrofluoric Acid | Sigma-Aldrich | 244279 | Diluted to 5% |
| Field Emission Gun Scanning Electron Microscope | Jeol Ltd. | N/A | JEOL 6700 series |
References
- Xu, X., et al. Flexible visible-infrared metamaterials and their applications in highly sensitive chemical and biological sensing. Nano Lett. 11 (8), 3232-3238 (2011).
- Singh, R., Cao, W., Al-Naib, I., Cong, L., Withayachumnankul, W., Zhang, W. Ultrasensitive terahertz sensing with high-Q Fano resonances in metasurfaces. Appl. Phys. Lett. 105 (17), 171101 (2014).
- Torun, H., Top, F. C., Dundar, G., Yalcinkaya, A. An antenna-coupled split-ring resonator for biosensing. J. Appl. Phys. 116 (12), 124701 (2014).
- Chen, T., Li, S., Sun, H. Metamaterials application in sensing. Sensors. 12 (3), 2742-2765 (2012).
- Jaruwongrungsee, K., et al. Microfluidic-based Split-Ring-Resonator Sensor for Real-time and Label-free Biosensing. Procedia Eng. 120, 163-166 (2015).
- Han, J., Lakhtakia, A. Semiconductor split-ring resonators for thermally tunable terahertz metamaterials. J. Mod. Optic. 56 (4), 554-557 (2009).
- Melik, R., Unal, E., Perkgoz, N. K., Puttlitz, C., Demir, H. V. Flexible metamaterials for wireless strain sensing. Appl. Phys. Lett. 95 (18), 181105 (2009).
- Naqui, J., Durán-Sindreu, M., Martín, F. Alignment and position sensors based on split ring resonators. Sensors. 12 (9), 11790-11797 (2012).
- Chiam, S., Singh, R., Gu, J., Han, J., Zhang, W., Bettiol, A. A. Increased frequency shifts in high aspect ratio terahertz split ring resonators. Appl. Phys. Lett. 94 (6), 064102 (2009).
- Gil, I., et al. Varactor-loaded split ring resonators for tunable notch filters at microwave frequencies. Electron. Lett. 40 (21), 1347-1348 (2004).
- Driscoll, T., et al. Tuned permeability in terahertz split-ring resonators for devices and sensors. Appl. Phys. Lett. 91 (6), 062511 (2007).
- Liu, C., et al. Displacement Current Mediated Resonances in Terahertz Metamaterials. Adv. Opt. Mater. 4 (8), 1302-1309 (2016).
- Huang, M., Zhao, F., Cheng, Y., Xu, N., Xu, Z. Large area uniform nanostructures fabricated by direct femtosecond laser ablation. Opt. Express. 16 (23), 19354-19365 (2008).
- Broers, A., Molzen, W., Cuomo, J., Wittels, N. Electron-beam fabrication of 80-Å metal structures. Appl. Phys. Lett. 29 (9), 596-598 (1976).
- Isaacson, M., Muray, A. Insitu vaporization of very low molecular weight resists using 1/2 nm diameter electron beams. J. Vac. Sci. Technol. 19 (4), 1117-1120 (1981).
- Yang, J. K., et al. Understanding of hydrogen silsesquioxane electron resist for sub-5-nm-half-pitch lithography. J. Vac. Sci. Technol. B. 27 (6), 2622-2627 (2009).
- Duan, H., Yang, J. K., Berggren, K. K. Controlled Collapse of High-Aspect-Ratio Nanostructures. Small. 7 (18), 2661-2668 (2011).
- Cord, B., et al. Limiting factors in sub-10nm scanning-electron-beam lithography. J. Vac. Sci. Technol. B. 27 (6), 2616-2621 (2009).
- Manfrinato, V. R., et al. Resolution limits of electron-beam lithography toward the atomic scale. Nano Lett. 13 (4), 1555-1558 (2013).
- Ashraf, M., Sreenath, A., Chollet, F. Low-cost mould for nano-imprinting uses monolayer of self-organized nanospheres. SPIE Newsroom. , (2007).
- Hu, T., Gao, Y., Wang, Z., Tang, Z. One-dimensional self-assembly of inorganic nanoparticles. Front. Phys. China. 4, 487-496 (2009).
- Kitching, H., Shiers, M. J., Kenyon, A. J., Parkin, I. P. Self-assembly of metallic nanoparticles into one dimensional arrays. J. Mater. Chem. A. 1 (24), 6985-6999 (2013).
- Klinkova, A., et al. Structural and optical properties of self-assembled chains of plasmonic nanocubes. Nano Lett. 14 (11), 6314-6321 (2014).
- Caswell, K., Wilson, J. N., Bunz, U. H., Murphy, C. J. Preferential end-to-end assembly of gold nanorods by biotin-streptavidin connectors. J. Am. Chem. Soc. 125 (46), 13914-13915 (2003).
- Liu, K., et al. Step-growth polymerization of inorganic nanoparticles. Science. 329 (5988), 197-200 (2010).
- Nie, Z., Fava, D., Kumacheva, E., Zou, S., Walker, G. C., Rubinstein, M. Self-assembly of metal-polymer analogues of amphiphilic triblock copolymers. Nat. Mater. 6 (8), 609-614 (2007).
- Chen, X., et al. Atomic layer lithography of wafer-scale nanogap arrays for extreme confinement of electromagnetic waves. Nat. Commun. 4 (2361), (2013).
- Nam, S., et al. Sub-10-nm nanochannels by self-sealing and self-limiting atomic layer deposition. Nano Lett. 10 (9), 3324-3329 (2010).
